上海市中心城區初期雨水污染治理策略與案例分析

程曉波

（上海市城市排水有限公司，上海 200233）

1 背景

1.1 排水系統現狀

排水系統格局：上海市中心城區已形成合流制和分流制排水體制并存的格局，合流制排水系統主要分布于中心城區蘇州河沿岸。 根據2002年 《上海市城鎮雨水系統專業規劃》，全市共規劃建設排水系統361個。其中，中心城區規劃建設排水系統281個。至2009年底，全市已建成排水系統250個(中心城區建成 213個）。其中，合流制排水系統71個，約占已建排水系統面積的31%。

1.2 初期雨水污染現狀

上海市中心城3大片區、5大干線、213個排水系統的建立使得中心城區點源污染的控制率已達到85%。隨著點源污染治理的不斷完善，中心城區面源污染對水環境污染貢獻率已超過點源污染，而且，隨著時間的推移，這一比例還將繼續上升。為此，必須進一步完善和拓展水環境治理思路，確保水環境質量持續穩步提高。

根據上海市環科院《污染控制和水源地保護規劃》的研究成果，全市各類面源COD合計 35.5萬t/a，其中城鎮地表徑流面源污染COD 24.26萬t/a。中心城區地表徑流面源污染COD 8.61萬t/a，浦西6.38萬t/a，浦東2.23萬t/a。由于地表徑流面源污染短時間高強度集中排放，對地表受納水體形成高負荷沖擊，水質惡化、不穩定，影響水環境治理成果。

1.3 排水標準

上海現行的排水標準一般為1 a一遇，重要地區采用3 a一遇，低于國內外許多大城市水平，導致暴雨期間超出設計排水能力的降雨徑流形成溢流，嚴重污染城市受納水體水質（見表1）。

表1 不同城市不同重現期暴雨強度對比表

1.4 排江量及水質

上海市平均降雨日約132d，年均量約1 150 mm，全年70%左右雨量集中在4～9月。汛期降雨特征：歷時短、強度大。以蘇州河為例，統計2007－2009年蘇州河沿岸排水系統初期雨水溢流量達3 300萬m3/a，其中 60%集中于 7～9 月（見圖 1、圖 2）。

圖1 蘇州河沿岸年初期雨水溢流量統計圖（2007-2009）

圖2 蘇州河沿岸月平均初期雨水溢流量統計圖（2007-2009）

初期雨水污染負荷大，上海中心城區蘇州河沿岸泵站初期雨水中COD、氨氮等主要污染指標事件平均濃度分別超過410 mg/L和25 mg/L，超過地表水Ⅴ標準9.3倍和11.7倍，對蘇州河尤其是汛期水質造成嚴重的沖擊性污染（見表2）。

表2 上海成都路排水系統初期雨水污染物濃度統計表（單位：mg/L）

2 治理策略及工程案例

2.1 國內外研究進展

國際：從20世紀70年代起，美國、德國、日本等，通過長期規劃、控制方法、排放標準、計算機模擬和監控等方面開展大量研究，制定出一系列的指導措施，通過源頭分散、中途和末端蓄排以及末端治理等技術以削減初期雨水污染物。

國內：研究起始于上世紀80年代，本世紀初引起廣泛關注，先后在北京、上海等城市開展了城市集水區、排水系統、屋面、道路等初期雨水污染相關研究。廣州、合肥、昆明等城市也紛紛開展前期工作。

上海初期雨水污染控制理論研究：《合流制排水系統初期雨水污染控制技術》（2003-2005年）榮獲上海市科技進步三等獎。對初期雨水進行調蓄處理并配套相應的管理措施，以期大大削減排入蘇州河的初期雨水污染負荷。調蓄池工程將有助于減少黃浦江和蘇州河水系的水體污染，提高城市防汛能力。溢流調蓄池同樣適用于上海存在嚴重雨污水混接現象的分流制排水系統。

《中心城區和新城市化地區面源污染控制關鍵技術與示范工程》（2004-2006年）榮獲上海市科技進步二等獎。揭示城市非點源污染規律；探索了自然和人工強化徑流調蓄系統關鍵技術；高效實用的調蓄與就地處理相結合工藝雨水污染防治專項規劃。

2.2 治理策略

中心城區已建系統：以工程措施和管理措施兩手抓，推廣雨水利用和源頭控制設施的建設，在提高中心城區的防汛抗洪能力的同時，減少雨天溢流污水對河道造成的污染。

舊城改造地區：雨水系統建設時將同步建設溢流污染控制措施，積極探索采用適合上海本地情況的雨水最佳管理方法。

中心城區新建系統：蓄排結合，提高城市雨水防汛標準的同時控制治理初期雨水污染。提出低影響開發，通過綜合性措施從源頭上降低開發導致的水文條件的顯著變化和雨水徑流對生態環境的影響。

區縣新建系統：按管道排水與天然溝渠、水塘相結合的方法，建設接近自然狀態的排水系統，并注重通過工程性與非工程性措施對雨水污染開展源頭控制。

調蓄隧道研究：上海市正在大力開展隧道調蓄初期雨水研究，對蘇州河調蓄管系統、兩港調蓄管系統進行研究。

2.3 治理措施

控制與治理初期雨水污染理念：利用工程性和非工程型措施截留初期濃度較高的雨水徑流，達到良好的環境效益投資比。達到合流制排水系統全年排入水體的污染負荷總量，應不得大于相同條件下分流制系統排入水體的污染負荷總量。

合流制系統溢流污染控制的任務為：對雨水進行截流處理，在保證流入污水處理廠的水量不超過其設計允許流量的同時，使直接排放的雨水對水體造成的沖擊性負荷在可接受的范圍內。因為一個水體的質量好壞是由全部進入該水體的污染物總量來決定的，需要將進入受納水體的全部污染物總量減少到最低程度。

工程性措施：包括可持續城市排水系統（SUDS）、污水截污納管、排水系統達標改造、調蓄池、下凹式綠地、河漫灘、人工濕地、土地處理系統等。

非工程性措施：包括雨水利用、最佳管理措施（BMP）、低影響開發（LID）、地表清掃、管道疏通等。

其他：包括政策指導、稅收調節、財政補貼等手段。

2.4 國內外工程案例

美國：芝加哥1975年始建世界上最大溢流雨水調蓄隧道及水庫工程 （TARP），4個隧道系統組成，總容量16 800萬m3。

德國：截至2002年，已擁有38 000座雨水池，其中溢流截流池24 000座，雨水截流池12000座，雨水凈化池2 000座，總容量達4 000萬m3。

日本今井川地下調蓄池 （調蓄隧道）容量178 000 m3，池體內徑10.8 m，長度2 000 m，盾構法施工，沿國道一號線施工，服務面積達7.6 km3。

澳大利亞悉尼北灘（Northern Beaches）調蓄工程：調蓄池容量18 000 m3，連同北灘就地解決方案，可使當地的雨季溢流頻率減少到低于20次/10a。

香港：大坑東地下蓄洪池及泵站 容量10萬m3；市區已建成多條雨水截流隧道。

上海：蘇州河環境綜合整治二期工程建設了5座調蓄池 （總容積70 700 m3）+新師大調蓄池；2010世博會園區建設了4座調蓄池（總容積19 800 m3）；西區污水輸送干線改造工程建設了1座帶后續處理功能的調蓄池（容積20 000 m3）。

昆明：市區二環內在建18座調蓄池。

3 工程案例分析

3.1 容積設計分析

調蓄池采用的容積設計方法有：面積負荷法（德國經驗公式、日本經驗公式、降雨量估算法）、調蓄時間法（截流強度法、降雨強度曲線計算法、沖擊負荷法）、脫過系數法、統計降雨頻率累計法、模型計算法、目標反推法（見表 3、表 4）。

調蓄池容積設計標準的選用直接影響調蓄池暴雨溢流削減量和削減率。應當因地制宜，根據當地的降雨特征和下墊面特征，并結合已建工程的實際運行效果和地區削減污染負荷的實際需要，采用合適的調蓄池容積設計標準。相關研究表明，在上海中心城區人口密集區，采用90～100 m3/hm2的設計容積，可取得良好的環境效益。

3.2 運行模式分析（見表5）

3.3 沖洗模式分析

調蓄池采用的沖淤清洗方法有：人工清潔、水力發射器沖洗、潛水攪拌器攪拌、水力沖洗翻斗沖洗、連續溝槽沖洗、鏟車機械清除、門式自沖洗和沖淤拍門等模式。

上海已建設的調蓄池采用的沖洗方式有：潛水攪拌器攪拌、水力沖洗翻斗沖洗、連續溝槽沖洗、門式自沖洗等幾種方式，其中門式自沖洗裝置的沖洗力非常強大，建議在設計條件允許時優先采用。

表3 上海采用德國經驗公式法設計的已建設雨水調蓄池統計表

表4 上海采用截流強度法設計的已建設雨水調蓄池統計表

表5 蘇州河二期建成雨水調蓄池運行模式統計表

3.4 除臭方式分析（見表6）

表6 不同除臭工藝原理比較表

上海已建成的幾座調蓄池有單獨采用噴淋植物液除臭、單獨采用離子法除臭和采用植物液+離子法組合除臭等方式。離子法除臭要求除臭空間密閉，需要通過風管等收集系統將臭氣擴散源的氣體收集送至處理系統，除初步建設費用較高外，具有處理能力強，易操控的特點，是目前較優的除臭選擇方案。

4 環境效益分析（見表7）

表7 新昌平調蓄池運行效果統計表

4.1 環境效益之一：初期雨水溢流量削減

以新昌平調蓄池為例，其服務面積3.45 km2，有效容積15 000 m3，2009年有效運行75次，年削減初期雨水溢流量達54.34萬m3，初期雨水溢流量削減為30.6%。

2010年有效運行68次，年削減初期雨水溢流量達53.11萬m3，初期雨水溢流量削減為28.9%。

4.2 環境效益之二：初期雨水溢流污染物削減

2009年，新昌平雨水調蓄池對初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削減總量分別為264.7 t/a、18.5 t/a 和 1.59 t/a。 COD、NH4+－N 和 TP 的年均削減率分別為47.7%、36.6%、和40.2%。

2010年，新昌平雨水調蓄池對初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削減總量分別為258.7 t/a、18.1 t/a和1.56 t/a。COD、NH4+－N 和TP的年均削減率分別為46.6%、35.7%和39.3%。

研究顯示當調蓄池對溢流COD削減5%時，蘇州河市區段COD濃度平均可下降13.8 mg/L。由此推斷，調蓄池削減溢流污染物功能的有效發揮，將顯著改善暴雨期間蘇州河的水質。

蘊藻浜調蓄處理池：容積20 000 m3、后續就地處理池 （包含混凝反應和沉淀兩個區）設計能力1 m3/s。考慮20%的初期雨水量和近期混接雨水量，通過管道和20 000 m3/s調蓄池調蓄；處理池分為混凝反應和沉淀兩個區，規模為1 m3/s，合86 400 m3/d；混凝沉淀處理裝置對污水SS、COD、TP和濁度平均去除率分別為82%、69%、71%和79%以上，可大大削減混接雨水的污染負荷，減少對河道的影響。

4.3 環境效益之三：提高系統短時截流倍數

據調蓄池雨水泵啟動強度，理論上開啟1臺雨水泵，成都路排水系統截流倍數提高5.74倍；若同時開啟2臺雨水泵，可提高8.32倍截流倍數。

實際運行中：受降雨強度、降雨持續時間、管道匯流速度、開泵臺數、截留時間等因素影響，實際平均截流倍數要低于理論瞬間截流倍數。此外，調蓄池實際平均截流倍數的計算還受統計時長的影響。

以2009年17次運行數據為例：調蓄池進水期間系統截流倍數提高7.35倍；降雨期間系統截流倍數提高3.23～4.81倍。

4.4 環境效益之四：延時效應明顯

據調蓄池雨水泵啟動強度，理論上開啟1臺雨水泵，成都路排水系統可對5.74倍排水系統截流倍數以下降雨管道出流峰值出現時間延后約20 min，緩解放江時間20 min；若同時開啟2臺雨水泵，可將8.32倍截流倍數以下降雨管道出流峰值出現時間延后約30 min，緩解放江時間30 min。

5 結語

初期雨水污染控制與治理是一項全方位、多領域的系統工程，上海市在借鑒和吸取國內外大城市的先進理念與經驗的基礎上，并結合上海實際情況，利用雨水調蓄池在初期雨水污染控制與治理方面取得一定成果。初期雨水調蓄池已被證明具有較好的暴雨溢流量和溢流污染物削減能力，并能提高短期內排水系統的排水標準和延緩暴雨洪峰時間。

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